PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA SOLID-LIQUID MIXING I.
TUJUAN 1. Mengetahui jenis pola alir dari proses mixing. 2. Mengetahui bilangan Reynolds dari operasi pengadukan campuran
tersebut
setelah 30 detik running. 3. Menentukan mixing time dari campuran tersebut dan menjelaskan variabel yang berpengaruh. 4. Membandingkan densitas hasil eksperimen setelah diaduk dan apabila dihitung terpisah. II.
DASAR TEORI Pengadukan (agitation) adalah gerakan yang terinduksi menurut cara tertentu pada suatu bahan di dalam bejana, dimana gerakan itu biasanya mepunyai semacam pola aliran sirkulasi. Sedangkan pencampuran (mixing) adalah peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak dimana bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya, sedang bahan-bahan tersebut sebelumnya terpisah dalam dua fase atau lebih. (Christie Geankoplis, Transport Procesess and Unit Operations, halaman 140) Tujuan pengadukan antara lain adalah : 1) Membuat partikel padat tersuspensi. 2) Mencampurkan liquid yang saliang larut (miscible), misalnya metil alkohol dan air. 3) Mendispersikan gas ke dalam zat cair dalam bentuk gelembung kecil. 4) Mendispersikan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan zat cair lain, sehingga membentuk emulsi atau suspensi butiran-butiran halus. 5) Mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan kumparan atau mantel kalor. (McCabe, Unit Operation of Chemical Engineering, halaman 236) Biasanya zat cair diaduk di dalam tangki atau bejana berbentuk silinder yang dapat tertutup maupun terbuka. Tinggizat cair yang diigunakan adalah 2/3 dari tinggi tangki. Ada dua macam jenis impeller , yaitu yang menghasilkan arus sejajar (axial) dengan sumbu poros impeller dan yang menghasilkan arus dalam arah tangensial (radial). Terdapat tiga jenis utama dari impeller yaitu propeller, paddle, dan turbin. (McCabe, Unit Operation of Chemical Engineering, halaman 236 – 237)
Macam-macam jenis impeller pencampuran : 1. Propeller Merupakan contoh impeller aliran aksial, dengan kecepatan tinggi untuk cairan viskositas rendah. Propeller berukuran kecil berputar pada kecepatan penuh, baik 1150 atau 1750 r/min. Sedangkan propeller yang berukuran besar berputar pada 400 hingga 800 r/min. 2. Paddles Untuk masalah sederhana agitator yang efektif digunakan adalah paddles datar yang berputar pada poros vertikal. Paddle yang umum adalah paddle dengan dua bilah dan empat bilah. Paddle berputar dengan kecepatan lambat di tengah vessel mendorong cairan secara radial dan tangensial dengan hampir tidak ada gerak vertikal diimpeller. Dalam industri paddle berputar pada kecepatan antara 20 dan 150 r/min. 3. Turbine Bentuknya menyerupai paddle bilah banyak dengan pisau pendek, yang berputar pada kecepatan tinggi diporos pusat vessel. Diameter impeller lebih kecil dari paddle, mulai 30 sampai 50 persen dari diameter vessel. Turbin biasanya efektif untuk jangkau viskositas yang cukup luas. Pada cair berviskositas rendah, turbin itu menimbulkan arus yang sangat deras yang berlangsung di keseluruhan bejana, menabrak kantong-kantong yang stagnan dan merusaknya. Di dekat impeller itu terdapat zone arus deras yang sangat turbulen dengan geseran yang kuat. Arus utamanya bersifat radial dan tangensial. Komponen tangensialnya menimbulkan vorteks dan arus putar, yang harus dihentikan dengan menggunakan sekat (baffle) atau difuser agar impeller itu menjadi sangat efektif. (McCabe, Unit Operation of Chemical Engineering, page 237-238)
Gambar 1.1 Jenis – jenis Impeller (a) three-blade marine propeller; (b) open straight-blade turbine; (c) bladed disk turbine; (d) vertical curved-bladeturbine; (e) pitched-blade turbine. Dalam desain agitator vessel, faktor yang penting adalah daya yang diperlukan untuk menggerakan impeller. Karena daya yang diperlukan untuk sistem tertentu tidak dapat diprediksi secara teoritis, dapat dikorelasikan dengan impeller bilangan Reynolds (NRe). ............................................ (1) N 'ℜ
Keterangan :
D20 N ⍴ µ
= Bilangan Reynold
= Diameter pengaduk (m) = Kecepatan putar Pengaduk (rpm) = Densitas Campuran (kg/m3) = Viskositas Campuran (kg/m.s)
Dalam tangki aliran laminar untuk NRe < 10 dan aliran turbulen untuk NRe > 10 4, dan untuk range antara 10 sampai 104 alirannya adalah transisi. (Christie J. Geankoplis, Transport Process and Unit Operation, halaman 144). Sedangkan untuk mencari viskositas campuran dari viscometer ostwald, menggunaan persamaan : µair µcampuran ❑
=
t air. ⍴air t campuran . ⍴campuran .................................... (2)
(Salzberg, Hugh W. dkk, A Modern Laboratory Course, halaman 116) Mixing Time Mixing time merupakan salah satu parameter yang paling penting dalam liquid-liquid mixing yang dibutuhkan fluida untuk bercampur merata keseluruh tangki sehingga campuran bersifat homogen. Mixing time adalah waktu pengadukan, dimana parameter viskositas dan densitas menunjukkan angka yang konstan. Parameter lain yang efektif untuk menentukan waktu pencampuran yaitu: kecepatan
impeller, diameter vessel dan impeller, jumlah dan penempatan baffle. (Reza Afshar Ghotli, 2013 halaman 596) III.
ALAT DAN BAHAN 1. Alat
Tangki pengaduk tanpa baffle
Pengaduk propeller dan disc turbine
Beaker glass 2000 mL
Picnometer 10 mL
Viscometer Ostwald
Stopwatch
Neraca analitik
Pipet
Spatula
Gelas arloji
Ball filler
2. Bahan
IV.
Air
Batu bata serbuk
SKEMA KERJA Batu bata serbuk + air 7:2
Di mixing
Kec : 256 rpm
Amati jenis pola aliran
Hitung densitas dan viskositas
Setiap 10 menit
Menentukan mixing time
Gambar IV.1 Skema kerja praktikum solid-liquid mixing perbandingan 7 : 2 Batu bata serbuk + air 6:1
Di mixing
Kec : 256 rpm
Amati jenis pola aliran
Hitung densitas dan viskositas
Setiap 10 menit
Menentukan mixing time
Gambar IV.2 Skema kerja praktikum solid-liquid mixing perbandingan 6 : 1 V.
DATA PENGAMATAN Tabel V.1 Hasil pengamatan praktikum solid-liquud Cara kerja Hasul pengamatan Menghitung perbandingan air : batu bata 244,44 ml : 355,56 gram serbuk 7 : 2
Pola aliran setelah 30 detik running
Tampak pola aliran radial karena tegak
lurus terhadap tangki pengaduk Hitung densitas setiap 10 menit pada air 30 detik pertama : ρ : 1,031 g/ml + batu bata serbuk dengan perbandingan
10 menit : ρ : 1,026 g/ml
7 :2
20 menit : ρ : 1,02 g/ml 30 menit : ρ : 1,034 g/ml 40 menit : ρ : 1,026 g/ml 50 menit : ρ : 1,042 g/ml 60 menit : ρ : 1,026 g/ml
70 menit : ρ : 1,026 g/ml Hitung Viskositas pada air + batu bata 30 detik pertama : µ : 0,0412 g/m.s serbuk dengan perbandingan 7 : 2
10 menit : µ : 0,0407 g/m.s 20 menit : µ : 0,0409 g/m.s 30 menit : µ : 0,0417 g/m.s 40 menit : µ : 0,0415 g/m.s 50 menit : µ : 0,0414 g/m.s 60 menit : µ : 0,0407 g/m.s
70 menit : µ : 0,0414 g/m.s Menghitung perbandingan air : batu bata perbandingan 6 : 1 serbuk Pola aliran setelah 30 detik running
1371,42 ml : 228,57 gram Tampak pola aliran radial karena tegak
lurus terhadap tangki pengaduk Hitung densitas setiap 10 menit pada air 30 detik pertama : ρ : 1,039 g/ml + batu bata serbuk dengan perbandingan
10 menit : ρ : 1,035 g/ml
6 :1
20 menit : ρ : 1,03 g/ml 30 menit : ρ : 1,034 g/ml 40 menit : ρ : 1,036 g/ml 50 menit : ρ : 1,035 g/ml 60 menit : ρ : 1,024 g/ml
70 menit : ρ : 1,028 g/ml Hitung Viskositas pada air + batu bata 30 detik pertama : µ : 0,0427 g/m.s serbuk dengan perbandingan 7 : 2
10 menit : µ : 0,0422 g/m.s 20 menit : µ : 0,0430 g/m.s 30 menit : µ : 0,0421 g/m.s 40 menit : µ : 0,0419 g/m.s
50 menit : µ : 0,0419 g/m.s 60 menit : µ : 0,0422 g/m.s 70 menit : µ : 0,0416 g/m.s
VI.
PEMBAHASAN Pada praktikum solid-liquid ini menggunakan variabel air (A) dan batu bata serbuk (B). Perbandingan masaa pada eksperimen kali ini yaitu 7 : 2 dan 6 : 1 dimana volume campuran ⅔ tinggi vessel (beker glass ukuran 2000 ml) yang tingginya 19 cm. Sehingga didapatkan tinggi volume campura 12,6 cm ± 1600 ml. Oleh karena itu campuran yang harus dibuat pada eksperimen pertama dengan perbandingan 7 : 2 adalah air (244,44 ml) : batu bata serbuk (355,56 gr). Hitungan
tersebut diperoleh berdasarkan perhitungan fraksi, sedangkan jumlah volume totalnya adalah 1600 ml sesuai dengan ukuran ⅔ tinggi vesselnya. Batu bata serbuk + air dimasukkan kedalam beker glass 2000 ml. Proses mixing
menggunakan
vessel
berupa
beker
glass 2000 ml tanpa
baffle
dengan
jenis
pengaduk turbin. Pada
eksperimen
kecepatan impeller di
set
kemudian setelah 30
detik diamati. Jenis pola
alirannya adalah radial
karena
terhadap
tangkai
pengaduk. Pada tangki
berpengaduk,
pola
aliran yang dihasilkan
bergantung
pada
beberapa faktor antara
lain geometri tangki,
sifat fisik fluida dan
pada
ini 256
tegak
rpm, lurus
jenis pengaduk itu sendiri. Pengaduk jenis turbine akan cenderung membentuk pola aliran radial dan tangensial. Pada eksperimen ini dapat dilihat pada gambar VI.2 sebagai berikut:
Gambar VI.2 Pola aliran solid-liquid mixing perbandingan 7:2
Batu bata serbuk tampak larut dalam air setelah dilakukan pengadukan dengan impeller dan pola air yang muncul yaitu air berputar secara radial diporos, dan alirannya terlihat teratur. Pengamatan yang dilakukan adalah dengan beberapa variabel waktu untuk mendapatkan densitas dan viskositas setiap 10 menit.
Didapatkan denstitas pada waktu 10 menit : ρ : 1,026 g/cm 3, 20 menit : ρ : 1,02 g/cm3, 30 menit : ρ : 1,034 g/cm3, 40 menit : ρ : 1,026 g/cm3, 50 menit : ρ : 1,042 g/cm3, 60 menit : ρ : 1,026 g/cm3, 70 menit : ρ : 1,026 g/cm3. Densitas diukur dengan menggunakan piknometer sedangkan viskositas diukur dengan menggunakan viskometer Ostwald. Didapatkan viskositas pada waktu 10 menit : µ : 0,0407 g/m.s, 20 menit : µ : 0,0409 g/m.s, 30 menit : µ : 0,0417 g/m.s, 40 menit : µ : 0,0415 g/m.s, 50 menit : µ : 0,0414 g/m.s, 60 menit : µ : 0,0407 g/m.s, 70 menit : µ : 0,0414 g/m.s. Pengamatan tersebut dilakukan untuk menemukan waktu campuran (mixing time) yang terjadi, dimana mixing time diperoleh dengan cara mengukur densitas dan viskositasnya, jika densitas dan viskositas suatu campuran nilainya sudah konstan maka mixing time dapat diketahui. Pada percobaan ini, didapatkan mixing time pada menit ke-10 dan ke-20. Jenis aliran yang terjadi adalah aliran turbulen Eksperimen kedua dengan menggunakan menggunakan variabel yang sama yaitu air (A), batu bata serbuk (B) dengan perbandingan massa 6:1 sehingga perbandingan massa yang diperoleh air (1371,42 ml) , batu bata serbuk (228,57 gr). Batu bata serbuk+air dimasukkan kedalam beker glass 2000 ml Setelah semua campuran ditambahkan kemudian diaduk dengan menggunakan impeller jenis turbin. Pengadukan bertujuan untuk menghomogenkan campuran. Pengadukan dilakukan dengan
kecepatan
selanjutnya
sama
putar 256 rpm. Langkah seperti
pertama. Jenis pola
alirannya
radial.
eksperimen
Pada
dilihat pada gambar
eksperimen sama
yaitu
ini
dapat
6.2 sebagai berikut:
Gambar VI.3 Pola aliran solid-liquid mixing perbandingan 6:1 Batu bata serbuk tampak larut dalam air setelah dilakukan pengadukan dengan impeller dan pola air yang muncul yaitu air berputar secara radial diporos, dan alirannya terlihat teratur. Pengamatan yang dilakukan adalah dengan beberapa variabel waktu untuk mendapatkan densitas dan viskositas setiap 10 menit. Didapatkan denstitas pada waktu 10 menit : ρ : 1,035 g/cm 3, 20 menit : ρ : 1,03 g/cm3, 30 menit : ρ : 1,034 g/cm3, 40 menit : ρ : 1,036 g/cm3, 50 menit : ρ : 1,035 g/cm3, 60 menit : ρ : 1,024 g/cm3, 70 menit : ρ : 1,028 g/cm3. Densitas diukur dengan menggunakan piknometer sedangkan viskositas diukur dengan menggunakan viskometer Ostwald. Didapatkan viskositas pada waktu 10 menit : µ : 0,0422 g/m.s, 20 menit : µ : 0,0430 g/m.s, 30 menit : µ : 0,0421 g/m.s, 40 menit : µ : 0,0419 g/m.s, 50 menit : µ : 0,0419 g/m.s, 60 menit : µ : 0,0422 g/m.s, 70 menit : µ : 0,0416 g/m.s. Pengamatan tersebut dilakukan untuk menemukan waktu campuran (mixing time) yang terjadi, dimana mixing time diperoleh dengan cara mengukur densitas dan viskositasnya, jika densitas dan viskositas suatu campuran nilainya sudah konstan maka mixing time dapat diketahui. Pada percobaan ini, didapatkan mixing time pada menit ke-40 dan ke-50. Jenis aliran yang terjadi adalah aliran turbulen.
VII.
KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN 1. Jenis pola alirannya yang dihasilkan pada percobaan diatas adalah radial karena tegak lurus terhadap tangkai pengaduk. 2. Bilangan Reynolds dari operasi pengadukan campuran setelah 30 detik running pada perbandingan 7:2 yaitu
tersebut
74067 (aliran
Turbulen) sedangkan pada perbndingan 6:1 yaitu
72514,61 (aliran
Turbulen). 3. Mixing time yang diperoleh pada perbandingan 7:2 yaitu pada menit ke-10 dan ke-20 dimana densitas dan viskositasnya konstan. Sedangkan mixing time pada perbandingan 6:1 pada menit ke-40 dan ke-50. 4. Densitas hasil eksperimen yang didapatkan dibandingkan dengan densitas ideal yaitu perbedaan densitas yang dihasilkan signifikan, karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk. B. SARAN 1. Pastikan pengaduk berada ditengah bejana agar saat pengaduk berputar tidak mengenai dinding bejana. 2. Karena larutan tersebut merupakan larutan suspensi, maka saat ingin mengukur densitas dan viskositas jangan biarkan larutan mengendap terlalu
lama
karena
akan mempengaruhi
hasil
densitas
dan
viskositasnya.
VIII.
DAFTAR PUSTAKA Mc.Cabe, W.L. 1985. “Unit Operation of Chemical Engeneering”. Tioon Well Finishing Co. Ltd. Singapura.
Ghotli, Reza Afshar. dkk. 2013 ”Chemical Engineering Communications”. a
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of
Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia. Geankoplis, C.I, 1993. “Transport Process and Unit Operation”. 2nd, Allyn and Bacon, Inc. Baston. Salzberg, Hugh W. dkk, “A Modern Laboratory Course”. The City College of the City University of New York. New York.
LAMPIRAN 1. Pembuatan campuran pertama dengan perbandingan massa Diketahui : Air : batu bata serbuk = 7:2 Tinggi vessel (beker glass) = 19 cm Volume vessel (beker glass) = 2000 ml Volume campuran = ⅔ tinggi vessel = 12,6 cm = 1600 ml
Ditanya : perbandingan campuran? Jawab : A : B 7:2 224,44 ml : 355,56 gr Sehingga jumlah campuran adalah 1600 ml 2. Pembuatan campuran kedua dengan perbandingan massa Diketahui : Air : Batu bata serbuk = 6 : 1 Tinggi vessel (beker glass) = 19 cm Volume vessel (beker glass) = 2000 ml Volume campuran = ⅔ tinggi vessel =12,6 cm = 1600 ml Ditanya : perbandingan campuran? Jawab : A : B : C 6:1 1371,42 ml : 228,57gr Sehingga jumlah campuran adalah 1600 ml
3. Menghitung bilangan Reynold dan menentukan jenis aliran saat t=30 detik Dik : µair = 0,0101 gr/cm.s (pada suhu 200C) ⍴air = 1000 gr/cm3 tair = 2,4 s ⍴campuran (untuk 7 : 2) = 1,028 gr/mL ⍴campuran (untuk 6 : 1) = 1,031 gr/mL N = 256 rpm Do = 10,5 cm = 0,105 m Asumsi : 1. shear stress diabaikan 2. tidak ada perubahan suhu 3. kecepatan putar di anggap sama (256 rpm) PERBANDINGAN 7 : 2 Untuk mencari bilangan Reynolds menggunakan persamaan (1), sedangkan untuk mencari µc, menggunakan persamaan (2), dengan ⍴ berasal dari pengukuran densitas menggunakan alat piknometer dan t berasal dari pengukuran menggunakan viscometer ostwald. Dik : tcampuran = 9,5 s
0,0101 2,4 .1000 = µcampuran ❑ 9,5 .1,028 µ campuran=0,0000410 Didapatkan nilai µc = 0,0000410 gr/cm.s = 0,0000041 kg/m.s D 20 N ⍴rata −rata N ℜ= µc rad kg . 1,028 s L kg 0,0000041 ms
0,105 2 m .26,794 ¿
¿ 74067 (aliran Turbulen)
PERBANDINGAN 6 : 1 Untuk mencari bilangan Reynolds menggunakan persamaan (1), sedangkan untuk mencari µc, menggunakan persamaan (2), dengan ⍴ berasal dari pengukuran densitas menggunakan alat piknometer dan t berasal dari pengukuran menggunakan viscometer ostwald. Dik : tcampuran = 9,78 s 0,0101 2,4 .1000 = µcampuran ❑ 9,78 .1,031 µ campuran=0,0000424 Didapatkan nilai µc = 0,0000424 gr/cm.s = 0,0000042 kg/m.s D 20 N ⍴rata −rata N ℜ= µc rad kg . 1,031 s L kg 0,0000042 ms
0,105 2 m .26,794 ¿
¿ 72514,61 (aliran Turbulen)
4. Perbandingan densitas hasil eksperimen dan densitas ideal PERBANDINGAN 7 : 2 a. Densitas hasil percobaan Massa piknometer rata-rata Volume Densitas
= 10,28 gram = 10 ml m = V =
10.28 10
= 1.028 gr/ml b. Densitas ideal (asumsi ⍴air = 1gr/ml) Massa (massa air+massa solid) = 1244,44 gr + 355,56 gr Volume = 1600 ml m Densitas = V =
1600 1600
= 1 gr/ml Perbedaan densitas yang signifikan tersebut diakibatkan karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk.
PERBANDINGAN 6 : 1 a. Densitas hasil percobaan Massa piknometer rata-rata Volume Densitas
= 10,32 gram = 10 ml m = V =
10.32 10
= 1.032 gr/ml b. Densitas ideal (asumsi ⍴air = 1gr/ml) Massa (massa air+massa solid) = 1371,42 gr + 228,57 gr Volume = 1600 ml m Densitas = V =
1599,99 1600
= 0,999 gr/ml Perbedaan densitas yang signifikan tersebut diakibatkan karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk.
http://documents.tips/documents/praktikum-operasi-teknik-kimia-mixing-kel-7.html
